Korriger noen registeroppføringer.

[text-smell-og-bang-hauge.git] / SLSection51-kobbersolvgull.tex

\section{Kjemisk binding - Fra kobber til sølv og gull}
\label{Kobbersolvgull} \index{Kjemisk binding\\ -Fra kobber til sølv og gull|textbf}



\subsubsection{Innledning}
Granulert metall og en fargeløs løsning plasseres i et begerglass og varmes opp til nesten kokepunkt. To kobber mynter legges oppå metall bitene. Etter en stund blir koppermyntene sølvfarget. En av myntene varmes i en gassflamme, og mynten blir gullfarget (I prosedyre A bruker vi sink; i prosedyre B bruker vi tinn).


\subsubsection{Framgangsmåte}
\paragraph{\textcolor[rgb]{0.00,0.00,0.50}{Prosedyre A:}}
Hell ca. 150 ml vann fra springen over i et 250 ml begerglass. Putt deretter 25 g granulert sink\footnote{Ikke bruk sink i pulverform, reaksjonen kan bli for kraftig.} oppi et 150 ml begerglass. Hell 25 ml 3M NaOH-løsning\footnote{Lages ved å løse 12 gram NaOH i 100 ml destillert vann.}  oppi begerglasset med sink bitene.
Begerglasset med sink og lut-løsningen plasseres nå enten på en varmeplate, eller på et ringstativ for gassbrenner. Varm opp løsningen til den nesten når kokepunktet (småkoker).\\
\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[width=0.4\textwidth]{images/kobbersolvgull/begerglass}
\includegraphics[width=0.4\textwidth]{images/kobbersolvgull/stativ}
\caption{Kobbermyntene legges først oppå sinkbitene, deretter settes begerglasset på stativ over gassbrenner}
\end{figure}
Bruk deretter en tang for å plassere to kobbermynter\footnote{Kobbermyntene pusses til de er skinnende med stålull for å få bort skitt og oksidlag} (penny (1-cent fra før 1983) eller 50-øringer) oppå sinkbitene i begerglasset. La myntene ligge der til de er fullstendig sølvfarget (ca. 45 sekunder). Bruk deretter tanga for å løfte myntene ut av lutbadet og skyll dem godt i begerglasset med vann for å bli kvitt all NaOH-løsningen. Tørk begge myntene!\\
\newline
Bruk ei tang for å holde den ene av $"$sølv$"$-myntene inn i den blå delen av gassflammen (se fig. under teorien). Roter mynten for å varme den jevnt. Fortsett med dette til sølvfargen har gått over til gullfarge. Varm ikke mynten for mye, for da vil gullfargen forsvinne. Dypp den varme mynten i begerglasset med vann for å kjøle den ned. Tørk mynten!

\paragraph{\textcolor[rgb]{0.50,0.25,0.00}{Alternativ måte:}}

Denne øvelsen kan også utføres ved å bruke en sinkklorid-løsning. Benytt 25 ml 1M ZnCl$_{2}$ (aq) i et 250 ml begerglass. Tilsett ca. 1.5 gram sinkmetall til begerglasset. Plasser kobbermyntene oppi begerglasset slik at de ligger oppå sinkbitene, og ikke berører hverandre.\\ Varm opp løsningen slik at den småkoker. Myntene vil nå få et sølvaktig belegg i løpet av noen minutter. Bruk ei tang og snu myntene over på den andre siden etter noen minutter. Fortsett oppvarmingen til sølvbelegget dekker myntene helt og jevnt.\\
\newline
Fjern myntene fra begerglasset og vask dem godt i destillert vann og tørk dem forsiktig med tørkepapir. Til slutt plasseres myntene på en varm plate, eller i gassflammen til de får en $"$gullaktig$"$ farge.












\paragraph{\textcolor[rgb]{0.00,0.00,0.50}{Prosedyre B:}}
På samme måte som i prosedyre A, gjør vi i stand et 250 ml begerglass med ca. 150 ml springvann. Vi heller deretter 100 ml med 1M HCl-løsning\footnote{Lages ved å tynne ut 10 ml kons. saltsyre (12M) i 90 ml destillert vann.} opp i et av 150 ml begerglassene.\\
\newline
Deretter putter vi 25 gram med granulert tinn i et tomt 150 ml begerglass. I dette begerglasset heller vi 25 ml med en 3M NaOH-løsning over tinnet. Begerglasset med tinnet og luten settes nå på et ringstativ med en gassbrenner under.\\ Vi tenner brenneren og varmer opp luten den nesten når kokepunktet (småkoker). Bruk nå en tang til å legge to av kobbermyntene oppå det granulerte tinnet i begerglasset. La dem ligge der til de forandrer farge og blir gråaktige (dette tar mellom 3 og 5 minutter). I løpet av denne tiden fortsettes oppvarmingen slik at løsningen forsiktig småkoker.\\
\newline
Bruk tangen til å ta ut de to grå kobbermyntene fra lutløsningen og tinnet og dypp dem i begerglasset med vann, for å skylle bort NaOH-løsningen. Tørk begge myntene. De har nå blitt gråaktige på fargen.\\
Til slutt tas en av myntene med tangen og holdes inne i det blå området av gassflammen. Snu mynten slik at oppvarmingen skjer jevnt. Fortsett med dette til mynten får en gullaktig farge og begynner å anløpe til svart. Varm ikke mynten for mye! Da vil den gullaktige fargen forsvinne!\\
Dypp nå den varme mynten i begerglasset med vann for å kjøle den ned, deretter dyppes mynten raskt ned i begerglasset med 1M HCl-løsning - for å ta bort det svartaktige belegget.\\
Vask mynten i vann og tørk den. Den vil nå ha en gullaktig farge!
\index{Messing}\index{Bronse}\index{Legeringer}\index{50-øringen}








\subsubsection{Teori}
Selv om denne øvelsen tilsynelatende viser en transmutasjon av kopper til sølv og gull, er ikke dette tilfelle. Det sølvaktige belegget på koppermynten er sink i prosedyre A og tinn i prosedyre B. $"$Gull$"$-belegget dannet når sølvmyntene varmes opp er messing i prosedyre A og bronse i prosedyre B.\\
\newline
Når de sinkbelagte og tinnbelagte myntene blir varmet opp i flammen til en gassbrenner, vil belegget smelte sammen med litt av det underliggende kopperet og danne ei legering.\\
Smeltepunktet til sink er 420$^{\circ}$C og for tinn 232$^{\circ}$C  \lbrack1\rbrack. Gassflammen er varm nok til å smelte sink og tinn raskt (se fig. med flammetemperaturene).\\
\newline
Brukes en koppercent, er denne ei legering i seg selv, bestående av 95$\%$ kopper og 5$\%$ sink og har et smeltepunkt på ca. 1050$^{\circ}$C. Brukes en norsk 50-øring, består denne av 97$\%$ Cu, 2,5$\%$ Zn og 0,5$\%$ Sn med smeltepunkt på ca. 1150$^{\circ}$C. Brukes en av disse to myntene må en varme dem atskillig lengre i gassflammen før de begynner å smelte\footnote{Unntaket er cent-mynter produsert etter 1983. Disse har en ren sinkkjerne med et belegg av kopper}.\\
\newline
Når en koppermynt tas vekk fra flammen etter oppvarming, vil det dannes et svart belegg av kopper(II)oksid.\\ Holdes mynten med det svartaktige oksid-belegget i den blå delen av gassflammen, vil den delen av mynten som er i det blå området få kopperfargen tilbake igjen. Dette skjer fordi den indre delen av flammen inneholder gasser, som varm metan, som kan redusere kopperoksidet.\\
\newline
Når sink og tinn plasseres i en sterk basisk løsning - løses de sakte opp. I en løsnining av NaOH vil sink oksidere til sinkation og hydroksidionet reduseres til hydrogen.
\begin{equation}\label{kopper12}
    Zn (s)  +  2OH^{-} (aq)  \longrightarrow ZnO_{2}^{2-} (aq)  +  H_{2} (g)
\end{equation}
I en vandig løsning vil sinkationene danne kompleks med hydroksidion og vann med en form som: \lbrack Zn(OH)$_{3}$(H$_{2}$O)\rbrack$^{-}$\\
\newline
Tinn løses i en sterk base på liknende måte.\\
Tinn danner to oksider, SnO og SnO$_{2}$. Tinn(IV)oksidet er svakt surt/amfotert; det løses langsomt i sterkt basiske løsninger under dannelse av stannat(IV)ioner, Sn(OH)$_{6}$$^{2-}$.
\begin{equation}\label{kopper13}
    Sn (s)  +  2OH^{-} (aq)  +  4H_{2}O (l)  \longrightarrow  \lbrack Sn(OH)_{6} \rbrack^{2-} (aq)  +  2H_{2} (g)
\end{equation}
Bobler med hydrogengass kan observeres i løsningen før den varmes opp. Oppvarmingen øker reaksjonshastigheten betydelig.\\
\newline
I denne øvelsen vil sink og tinn-belegg kun dannes på koppermynten hvis denne er i kontakt med sink eller tinn metallet. Dette tyder på at prosessen som danner belegget er en elektrokjemisk prosess. Den eksakte mekanismen til den elektrokjemiske reaksjonen er ikke kjent.\\
\newline
Potensialet til sink og tinn i 1,0M NaOH-løsning er rapportert til å være henholdsvis -1.24V og -0.94V \lbrack 7,8 \rbrack.



\subsubsection{Legeringer}

\begin{figure}[h]
\centering
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{images/kobbersolvgull/flammetemp}
\caption{Temperaturområdene i en gassflamme, i $^{\circ}$C \lbrack3\rbrack.}
\end{figure}

Legeringen som dannes med sink og kobber er messing. Fargen til denne legeringen varierer med sammensetningen, slik tabellen nedenfor viser \lbrack3\rbrack. Legeringen som generelt blir kalt messing har en sammensetning på 60 - 82 \% kobber og 18 - 40 \% sink, og har en klar gulfarge. Messing er verdsatt for sin farge, relativt lik den til gull. Akkurat som gull er messing et relativt mykt metall.
\index{Fargene til messing}
\begin{table}[h]
\begin{tabular}{lll}
Mol ratio Cu:Zn   &    & Legeringens farge            \\
\hline
10:1 til 7:1      &    & rødaktig gul                 \\
6:1 til 4:1       &    & gulaktig rød                 \\
3:3               &    & svak gul                     \\
2:1 til 1:2       &    & dyp gul                      \\
8:17 til 1:2      &    & sølv-hvit                    \\
8:19 til 8:23     &    & lys grå                      \\
1:3 til 1:5       &    & mørk grå                     \\
\end{tabular}
  \caption{Sammensetningen til messing avgjør legeringens farge.}
\end{table}

\noindent
Bronse er et rødgul metall som inneholder 70 - 95 \% kobber og 5 - 30 \% tinn. Kommersiell bronse inneholder noen ganger små mengder med andre stoffer, som f.eks sink og fosfor. Bronse ser mindre ut som gull enn messing gjør, men er et adskillig hardere metall og mer motstandsdyktig mot korrosjon enn messing.\\ Også fargen til bronse avhenger av sammensetningen til legeringen:
\begin{table}[h]
\begin{tabular}{lll}
Prosentvis innhold av Cu  &    & Legeringens farge            \\
\hline
82.8 - 84.3       &    & rødaktig gul                 \\
72.8 - 81.1       &    & gulaktig rød                 \\
82.8 - 76.3       &    & svak rød                     \\
68.2              &    & askegrå                      \\
61.7              &    & mørk grå                     \\
51.75             &    & grå-hvit                     \\
34.9              &    & hvit                         \\
\end{tabular}
  \caption{Sammensetningen til bronse avgjør legeringens farge.}
\end{table}\index{Fargene til bronse}






















\subsubsection{Forsiktig}
Varm NaOH-løsning er ekstremt etsende og vil gi etseskader på hud og klær. Ikke varm løsningen så kraftig at den begynner å koke ukontrollert og sprute! Bruk vernebriller!



\subsubsection{Avfallshåndtering}
La NaOH-løsningen kjølne til romtemperatur. Hell den av sink og tinn bitene. NaOH-løsningen kan tas vare på til ny gjennomgang av øvelsen, eller skylles ned i vasken med vann.\\
\newline
Den granulerte sinken eller tinnet vaskes godt med vann, tørkes og oppbevares til senere bruk.\\ 1M HCl-løsningen skylles ned i vasken med vann.





\newpage

\subsubsection{Utstyr og kjemikalier}
\begin{table}[h]
\begin{tabular}{lll}
\textcolor[rgb]{0.00,0.00,0.50}{Prosedyre A}                                                    &    &  \textcolor[rgb]{0.00,0.00,0.50}{Prosedyre B}     \\
\hline
25 gram granulert sink   &                                                                  &100 ml 1M HCl-løsning     \\
25 ml 3M NaOH-løsning        &    &25 gram granulert tinn       \\
250 ml begerglass                                                                               &    &25 ml 3M NaOH-løsning       \\
Gassbrenner/Bunsen brenner                                                                      &    &250 ml begerglass       \\
Ringstativ med trådnett                                                                         &    &Gassbrenner/Bunsen brenner       \\
3 kobbermynter                                                                                  &    &Ringstativ med trådnett       \\
Stålull                                                                                         &    &3 kobbermynter       \\
150 ml begerglass                                                                               &    &Stålull       \\
Tang                                                                                            &    &Tang       \\
Tørkepapir                                                                                      &    &Tørkepapir       \\
                                                                                                &    &2 150 ml begerglass       \\
\end{tabular}
  \caption{Kjemikalieliste til forsøket - Kjemisk binding; Fra kobber til sølv og gull}
\end{table}



\subsubsection{Referanser}
\begin{description}
    \item[\lbrack1\rbrack]R. C.~Weast, Ed.
\newblock {\em CRC Handbook of Chemistry and Physics}.
\newblock CRC Press: Boca Raton, Florida, 66th edition, pp. B-153, B-158, 1985.
    \item[\lbrack2\rbrack] Bassam~Z. Shakhashiri.
\newblock {\em Chemical Demonstrations - A Handbook for Teachers of Chemistry},
  volume~4.
\newblock The University of Winsconsin Press, 1 edition, 1992.
\newblock 290 pages \\ ISBN: 0-299-12860-1.
    \item[\lbrack3\rbrack]B. Lewis and G. Van Elbe.
\newblock {\em Journal of Chemical Phys}, 11:75, 1943.
    \item[\lbrack4\rbrack]J. W. Mellor
\newblock {\em A Comprehensive Treatise on Inorganic and Theoretical Chemistry}, Vol. 4,
\newblock Longmans, Green and Co.: London; p. 673, 1923.
    \item[\lbrack5\rbrack]J. W. Mellor
\newblock {\em A Comprehensive Treatise on Inorganic and Theoretical Chemistry}, Vol. 8,
\newblock Longmans, Green and Co.: London; p. 351, 1927.
    \item[\lbrack6\rbrack]F. A. Cotton and G. Wilkinson
\newblock {\em Advanced Inorganic Chemistry}, 5th ed., p. 605
\newblock John Wiley and Sons: New York (1988)
    \item[\lbrack7\rbrack]Gmelins
\newblock {\em Handbuch der anorganische Chemie}, No. 46, Part B, p. 364,
\newblock Verlag Chemie: Weinheim, Germany (1971).
    \item[\lbrack8\rbrack]Gmelins
\newblock {\em Handbuch der anorganische Chemie}, No. 32, p. 412,
\newblock Verlag Chemie: Weinheim, Germany (1956).
    \item[\lbrack9\rbrack]Gmelins
\newblock {\em Handbuch der anorganische Chemie}, No. 46, Part B, p. 263,
\newblock Verlag Chemie: Weinheim, Germany (1971).
    \item[\lbrack10\rbrack]R. C.~Weast, Ed.
\newblock {\em CRC Handbook of Chemistry and Physics}.
\newblock CRC Press: Boca Raton, Florida, 66th edition, p. D-152, (1985).
\end{description}